아인슈타인의 우주여행(상대성이론에 관해) > 별보기

아인슈타인의 상대성 이론은 그 때까지의 시간과 공간의 생각을 크게 변화시켰다.
상대성 이론에서는 고속으로 운동하는 물체의 길이가 줄거나, 시간의 경과가 늦어지는 등의
불가사의한 현상을 이끌어 낼 수 있다.
왜 이러한 현상이 일어나는가?
우주 여행을 하면서 상대성 이론이 예언한 시간과 공간의 불가사의한 세계로 독자 여러분을 초대한다.

제목 : 상대성 이론이 해명하는 시간과 공간의 불가사의한 세계

<우주 여행을 가능하게 한 아인슈타인의 상대성 이론이란 무엇인가?>
[우주여행은 가능한가?]
우주를 여행할 수 있다면……. 누구나 한 번쯤은 그러한 꿈을 꾸었을 것이다.
태양계에서 가장 가까운 항성은 센타우루스자리 프록시마이고, 4.2광년의 거리에 있다.
이것은 초속 30만 km의 광속으로 이동할 수만 있다면 4.2년에 통과할 수 있는 거리이다.
거의 광속으로 이동할 수 있는 우주선만 있다면 센타우루스자리 프록시마 등
부근의 별까지의 우주여행은 결코 꿈이야기가 아닐지도 모른다.
그러나 안드로메다 은하까지의 우주여행은 광속으로 230만년이나 걸리므로
도저히 실현될 수 없는 일이라고 생각될 것이다.
하지만 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 겨우 10여 년 안에 안드로메다 은하까지 갈 수 있다고 한다.
대체 상대성 이론이란 어떠한 것인가?

[특수와 일반은 무엇이 다른가?]
상대성 이론은 독일 태생의 아인슈타인(A. Einstein; 1879~1955)에 의해 제창되었다.
아인슈타인의 상대성 이론에는 '특수 상대성 이론'과 '일반 상대성 이론'이 있다.
'상대성'이란 A가 B에 대하여 움직이고 있는 경우, B에서 A를 보면 A가 움직이고 있는 것처럼 보이고,
반대로 A에서 B를 보면 B가 움직이고 있는 것처럼 보인다는 것이다.
이처럼 상대적으로 움직이고 있는 사람에게 현상은 모두 같게 보인다는 생각은,
갈릴레이(G.Galilei;1564~1642) 시대부터 '상대성 원리'로서 확립되어 있었다.

"만일 사람이 빛의 파(동)를 뒤에서 빛과 같은 속도로 추적한다면 어떻게 될까?"
16세의 아인슈타인은 빛의 운동에 흥미를 느끼고 있었다.
이것이 특수 상대성 이론이 탄생하는 계기가 되었다.
그렇다면 아인슈타인의 의문에 대한 답은 어떻게 되겠는가?
빛과 같은 속도로 움직이고 있으므로 빛은 정지하고 있는 것처럼 보인다?
보통은 그렇게 생각하겠지만, 사실은 그렇지 않은 것 같다.
특수 상대성 이론이 완성된 것은 1905년, 아인슈타인이 26세 때이다.
특수 상대성 이론이란 그 이름 그대로 '특수'한 상황을 설정한 이론이다.
등속 운동하고 있는 관측자가 보는 특수한 세계에서는 '광속도 불변의 원리'와 '상대성 원리'를
기본으로 하여 특수 상대성 이론이 구성된다.
상대성 이론은 앞에서 설명한 그대로이다.

광속도 불변의 원리란 빛의 속도는 관측자가 어떠한 운동을 하여도
변화하지 않는다는 것이다.
상대성 이론의 세계에서 시간이 늦어지거나 물체가 수축해 보이는 등의
불가사의한 일이 차례로 일어나는 것은 모두 빛의 속도가 일정하기 때문이다.
그러나 관측자가 등속 운동 밖에 하지 않는다는 것은 자연계에서는 드문 일이다.
보통은 속도나 방향을 바꾸는 가속도 운동을 하고 있다.
그래서 특수 상대성 이론을 일반화하여 가속도 운동에까지 확대하고
중력을 포함하도록 한 이론이, 1916년에 발표된 '일반 상대성 이론'이다.
일반 상대성 이론은 가속도 운동과 중력은 구별될 수 없다는 '등가원리'를 기초로 하여
가속도 운동과 중력을 동시에 수용하는 것을 가능하게 한 이론이다.
그것에 의하면 물체가 있으면 그 중력에 의한 공간은 일그러지게 된다.
변형된 공간에서는 빛도 굽고, 시간도 늦어진다.

[상대성 이론의 불가사의한 세계]
속도가 광속에 비해 매우 작을 때에는 상대성 이론의 효과는 나타나지 않는다.
그래서 우리의 일상 생활에서는 그 효과를 경험할 수 없다.
상대성 이론의 세계에서는 어떠한 일이 일어날 것인가?
또 그와 같은 현상은 왜 일어나는가?
우주 여행을 하면서 상대성 이론의 불가사의한 세계를 체험하자.